如何利用临界折射纵波检测钢结构残余应力？

随着生产的发展和科学技术的进步,焊接技术已经广泛应用于桥梁、建筑等各个领域,对国民经济的发展起着极其重要的作用。由于高度集中的瞬时热输入,构件焊后将产生相当大的焊接残余应力和变形,这将对焊接接头的各种力学性能产生不同程度的影响。焊接残余应力的存在,不仅会降低工件的强度,使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷;又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此,残余应力的检测,对于确保工程的安全性和可靠性有着非常重要的意义。
 
一、残余应力分类
在钢结构的焊接过程中，由于大量热量高度集中，在焊接结束后焊件内仍存在一定的应力，这些未消除的、参与在焊件中的应力就是我们经常提到的焊接残余应力。根据这种焊接残余应力方向的不同，可以分为纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和沿焊缝厚度方向的焊接残余应力三种。
 
1、纵向残余应力
纵向焊接残余应力的形成主要是由于在焊接过程中焊接受热不均匀便进行冷却，这样就在焊件中形成了不同温度的温度场。而不同的温度又会导致焊件发生不同程度的膨胀，温度越高的地方其膨胀程度越大，所以在焊接过程中由于焊缝附近的温度最高，所以膨胀最大，而临边的温度最低所以膨胀也最低，这样就会产生塑性压缩，而由于焊缝附近的温度较高，膨胀系数较大，所以被塑性压缩后焊缝区域与临界区域相比要长一些，导致形成纵向的焊接残余应力。
 
2、横向残余应力
在钢结构的焊接过程中形成横向残余应力的主要原因有两个：
（1）在焊接过程中，由于焊缝纵向收缩，而钢板向外弯曲，这形成了一个弓形。而焊缝又将两块钢板连接在一起，形成了一个整体，这样在焊缝的中间就产生了横向的拉应力，同时在两端也产生了横向的拉应力。
 
（2）在焊接过程中，由于焊缝的焊接位置不同，所以在焊接结束进行冷却的过程中也会出现差别。在焊接时先焊接的焊缝由于焊接时间早，冷却时间也早，所以其强度较强，而后面的焊缝由于焊接的较晚，冷却的也较晚，所以焊缝位置就会发生横向的膨胀，导致横向塑性压缩发生变形。在这两个原因的共同作用下，焊缝的横向拉应力和方向都会发生改变，最终导致产生横向残余应力。
   
3、沿焊缝厚度方向的残余应力
钢结构焊接过程中产生的沿焊缝厚度方向的残余应力主要是由于钢结构的厚度较大，在焊接时需要采用多重焊接的方式进行施焊。所以在焊接过程中除了会产生纵向的焊接残余应力和横向的焊接残余应力之外，还会产生沿焊缝厚度方向的残余应力。这种残余应力的存在，对于钢结构的塑性会产生重要的影响，进而影响钢结构的脆弱性和结构性，对建筑工程的质量造成重要影响。
 
二、临界折射纵波检测法
目前残余应力的检测方法有多种，可分为破坏性和非破坏性两大类，而超声以其检测无损、快速精确等优势，在残余应力检测领域得到了极大的发展，在这里值得一提就是基于超声波的声弹性理论研究出来的临界折射纵波残余应力检测法。
 
检测原理：
当发射换能器激发超声波纵波以第一临界角斜入射到被检件表面时，依据Snell定律，可在被检件材料内部产生超声临界折射纵波，并可被接收换能器接收到。依据声弹性原理，材料中的残余应力会影响超声纵波传播速度，当残余应力与纵波方向一致时，拉伸应力使超声纵波传播速度变慢或传播时间t延长，压缩应力使超声纵波传播速度加快或传播时间t缩短。因此，在激励和接收两换能器之间的距离（探头间距）保持不变的条件下，若测得零应力σ0对应超声波时间t0和被检件应力σ对应的超声波传播时间t。根据时间差按标准GB/T 32073-2015《超声检测残余应力》中的公式计算出被检件中的残余应力绝对值σ。
   
检测方法：
1、检测前准备
检测区域的大小与探头尺寸和检测频率有关，检测区域长度L为临界折射纵波传播距离，通常为5mm~100mm。检测区域宽度W为换能器晶片宽度或直径，通常为5mm~30mm，检测区域由频率决定。检测区域大小应超出探头尺寸覆盖的范围或与其相等。
 
2、表面准备
检测位置的表敏粗糙度Ra应小于或等于10μm。
 
3、检测仪器的调整和设置
将残余应力超声检测仪调整到正常工作状态。根据已经确定好的检测区域，设置检测频率、滤波带宽、超声激励电压、超声接收增益、探头间距和位置等检测参数。
 
4、应力系数标定
调整并设置好检测仪器后，将探头稳固耦合在零应力试块的标定区域内，按GB/T 228.1规定的方法，在（22±2）℃下，对零应力试块进行拉伸试验。
 
在材料弹性范围内，记录检测仪器的声时差△t和拉伸试验设备输出的拉应力变化△σ，测量点不少于10点，重复拉伸次数不少于5次，取平均值，绘制出拉伸应力值与声时差的坐标图，然后对数据进行线性拟合，得到直线斜率的倒数即为应力系数K。
 
5 、零应力校准
按规定调整和设置检测仪器，将探头稳定耦合在零应力试块的标准区域内，记录仪器测出的零应力对应的超声临界折射纵波传播时间t0。
 
6、应力检测
调整并设置检测仪器，根据探头布置，将探头稳定耦合在检测位置，记录仪器测出的零应力对应的超声临界折射纵波传播时间t，根据标准中的公式计算出被检件内的残余应力△σ或σ0（设σ0=0），所得的残余应力值为负值表示压缩应力，正值表示拉伸应力。
 
7、温度补偿与修正
根据温度差对检测到的残余应力数值进行温度补偿修正。
 
三、结语
残余应力是零件表面完整性质量的关键评价指标，只有选择合适的检测方法，合理的进行检测，才能够对焊接加工工艺评估和工艺优化提供量化依据，零部件变形及失效问题才能够得到分析、得到针对性解决，才能将焊缝焊接残余应力控制在合理水平，减少或延缓疲劳裂纹的发生，才能提高和保证产品交付质量，提高工程建设中的验收质量。